特許 7382824 炭化水素製造装置、および、炭化水素化合物の製造方法

(19)【発行国】日本国特許庁(JP)

(12)【公報種別】特許公報(B2)

(11)【特許番号】

(24)【登録日】2023-11-09

(45)【発行日】2023-11-17

(54)【発明の名称】炭化水素製造装置、および、炭化水素化合物の製造方法

(51)【国際特許分類】

   C07C 1/12 20060101AFI20231110BHJP

   C07C 9/04 20060101ALI20231110BHJP

   C07B 61/00 20060101ALN20231110BHJP

【ＦＩ】

C07C1/12

C07C9/04

C07B61/00 300

【請求項の数】 6

(21)【出願番号】P 2019235762

(22)【出願日】2019-12-26

(65)【公開番号】P2021104938

(43)【公開日】2021-07-26

【審査請求日】2022-05-11

(73)【特許権者】

【識別番号】000003609

【氏名又は名称】株式会社豊田中央研究所

(73)【特許権者】

【識別番号】000004260

【氏名又は名称】株式会社デンソー

(73)【特許権者】

【識別番号】000003218

【氏名又は名称】株式会社豊田自動織機

(74)【代理人】

【識別番号】100160691

【弁理士】

【氏名又は名称】田邊 淳也

(72)【発明者】

【氏名】佐山 勝悟

(72)【発明者】

【氏名】山本 征治

(72)【発明者】

【氏名】森本 洋平

(72)【発明者】

【氏名】堀部 伸光

【審査官】中島 芳人

(56)【参考文献】

【文献】特開２０１３－１３６５３８（ＪＰ，Ａ）

【文献】特開２０１９－１４２８０８（ＪＰ，Ａ）

【文献】米国特許出願公開第２０１２／００２９０９５（ＵＳ，Ａ１）

(58)【調査した分野】(Int.Cl.，ＤＢ名)

Ｃ０７Ｃ １／１２

Ｃ０７Ｃ ９／０４

Ｃ０７Ｂ ６１／００

(57)【特許請求の範囲】

【請求項1】

炭化水素製造装置であって、
触媒を収容する収容部と、前記収容部の内側に原料ガスを供給するためのガス入口と、前記収容部の内側で生成された炭化水素化合物を含む生成ガスを取り出すためのガス出口とを備える反応器と、
前記反応器に接続され、前記触媒との熱交換に用いられる熱媒体を前記反応器に供給する熱媒体供給部と、
前記触媒の温度を検出する触媒温度検出部と、
前記触媒温度検出部によって検出された前記触媒の温度を用いて、前記熱媒体の流量または温度の少なくとも一方を制御する制御部と、を備え、
前記触媒において、
前記ガス入口側の端面から前記ガス出口側の端面までの長さを長さＬｃとし、
前記ガス入口側の端面から前記触媒温度検出部が配置されている前記触媒の温度の検出位置までの距離を距離Ｚｍとすると、
長さＬｃに対する距離Ｚｍの割合は、０．０６以上０．６５より小さい、
炭化水素製造装置。

【請求項2】

請求項１に記載の炭化水素製造装置であって、
長さＬｃに対する距離Ｚｍの割合は、０．３２以下である、
炭化水素製造装置。

【請求項3】

請求項１または請求項２に記載の炭化水素製造装置は、さらに、
前記制御部と電気的に接続され、前記反応器に供給される前記原料ガスの流量を検出するガス流量検出部を備え、
前記制御部は、
前記ガス流量検出部が検出する前記原料ガスの流量と、前記原料ガスの流量に対応する制御用変数が示されたマップを用いて前記触媒の目標温度を算出し、
前記触媒温度検出部によって検出された前記触媒の温度と前記目標温度との差分を用いて、前記熱媒体の流量または温度の少なくとも一方を制御する、
炭化水素製造装置。

【請求項4】

請求項１から請求項３のいずれか一項に記載の炭化水素製造装置は、さらに、
前記制御部と電気的に接続され、前記反応器に供給される前の前記原料ガスの温度を検出するガス温度検出部を備え、
前記制御部は、
前記ガス温度検出部が検出する前記原料ガスの温度と、前記原料ガスの温度に対応する制御用変数が示されたマップを用いて前記触媒の目標温度を算出し、
前記触媒温度検出部によって検出された前記触媒の温度と前記目標温度との差分を用いて、前記熱媒体の流量または温度の少なくとも一方を制御する、
炭化水素製造装置。

【請求項5】

請求項１から請求項４のいずれか一項に記載の炭化水素製造装置は、さらに、
前記制御部と電気的に接続され、前記反応器の内部圧力を検出する圧力検出部を備え、
前記制御部は、
前記圧力検出部が検出する前記反応器の内部圧力と、前記反応器の内部圧力に対応する制御用変数が示されたマップを用いて前記触媒の目標温度を算出し、
前記触媒温度検出部によって検出された前記触媒の温度と前記目標温度との差分を用いて、前記熱媒体の流量または温度の少なくとも一方を制御する、
炭化水素製造装置。

【請求項6】

炭化水素化合物を生成する炭化水素化合物の製造方法であって、
反応器において、供給源から供給される原料ガスを用いて炭化水素化合物を生成する炭化水素製造工程と、
触媒温度検出部によって前記反応器の収容部に収容されている触媒の温度を検出する触媒温度検出工程と、
前記触媒温度検出工程において検出される前記触媒の温度を用いて、前記触媒との熱交換に用いられる熱媒体の流量または温度の少なくとも一方を制御する制御工程と、備え、
前記触媒において、
前記収容部の内側に前記原料ガスを供給するためのガス入口側の端面から、前記収容部の内側で生成された前記炭化水素化合物を含む生成ガスを取り出すためのガス出口側の端面までの長さを長さＬｃとし、
前記ガス入口側の端面から前記触媒温度検出部が配置されている前記触媒の温度の検出位置までの距離を距離Ｚｍとすると、
前記触媒温度検出工程において、前記触媒温度検出部は、前記触媒のうちの長さＬｃに対する距離Ｚｍの割合が０．０６以上０．６５より小さい範囲内の温度を検出する、
炭化水素化合物の製造方法。

【発明の詳細な説明】

【技術分野】

【0001】

本発明は、炭化水素製造装置、および、炭化水素化合物の製造方法に関する。

【背景技術】

【0002】

従来から、触媒を用いて、二酸化炭素と水素から炭化水素化合物を製造する炭化水素製造装置が知られている。例えば、特許文献１には、触媒を収容する反応器に触媒の温度を制御可能な熱媒体を供給する熱媒体供給部を備えており、熱媒体の供給によって、触媒の温度を、炭化水素化合物を製造するのに適した温度にする技術が開示されている。

【先行技術文献】

【特許文献】

【0003】

【文献】特開２０１９－１４２８０８号公報

【発明の概要】

【発明が解決しようとする課題】

【0004】

触媒を用いて炭化水素化合物を生成する反応は、発熱反応であるため、この反応で発生する熱エネルギは、外部で利用することができる。しかしながら、触媒から過度に熱を奪うと、炭化水素化合物を生成する反応が進行しなくなるため、二酸化炭素の炭化水素化合物への転化率を高めるためには、触媒の温度制御を精密に行う必要がある。特許文献１に記載の技術では、複数の熱電対を用いて取得した触媒の温度分布を用いて、熱媒体の流量を調節することで、触媒の温度を制御する。しかしながら、反応器に複数の熱電対を配置する必要があるため、反応器の製造コストが増大する。また、反応器に複数の熱電対を配置すると反応器の表面積が増大するため、反応器からの放熱による熱損失が増大し、熱エネルギの回収率が低下する。

【0005】

本発明は、上述した課題を解決するためになされたものであり、炭化水素製造装置において、製造コストを低減しつつ、原料ガスの炭化水素化合物への転化率を向上するとともに熱エネルギの回収率を向上する技術を提供することを目的とする。

【課題を解決するための手段】

【0006】

本発明は、上述の課題の少なくとも一部を解決するためになされたものであり、以下の形態として実現することが可能である。

【0007】

（１）本発明の一形態によれば、炭化水素製造装置が提供される。この炭化水素製造装置は、触媒を収容する収容部と、前記収容部の内側に原料ガスを供給するためのガス入口と、前記収容部の内側で生成された炭化水素化合物を含む生成ガスを取り出すためのガス出口とを備える反応器と、前記反応器に接続され、前記触媒との熱交換に用いられる熱媒体を前記反応器に供給する熱媒体供給部と、前記触媒の温度を検出する触媒温度検出部と、前記触媒温度検出部によって検出された前記触媒の温度を用いて、前記熱媒体の流量または温度の少なくとも一方を制御する制御部と、を備え、前記触媒において、前記ガス入口側の端面から前記ガス出口側の端面までの長さを長さＬｃとし、前記触媒の前記ガス入口側の端面から前記触媒温度検出部までの距離を距離Ｚｍとすると、長さＬｃに対する距離Ｚｍの割合は、０．０６以上０．６５より小さい。

【0008】

この構成によれば、触媒温度検出部は、触媒のうちの長さＬｃに対する距離Ｚｍの割合が０．０６以上０．６５より小さい範囲内の触媒の温度を検出する。制御部は、触媒温度検出部によって検出される触媒の温度を用いて、熱媒体の流量または温度の少なくとも一方を制御する。これにより、熱媒体による触媒の温度制御を高精度に行うことができるため、原料ガスの炭化水素化合物への転化率を向上することができる。また、触媒温度検出部が上述した範囲内の温度を検出することで、触媒の温度分布に関する情報を取得するために触媒温度検出部を触媒全体に配置する場合に比べ、反応器に配置される触媒温度検出部の数を少なくすることができる。これにより、反応器の製造コストを低減することができる。また、反応器に配置される触媒温度検出部の数を少なくすることができるため、触媒全体に触媒温度検出部を配置する場合に比べ、反応器の表面積が小さくなり、放熱による熱エネルギの損失が小さくなる。これにより、熱エネルギの回収率を向上することができる。このように、上述した構成によれば、製造コストを低減しつつ、原料ガスの炭化水素化合物への転化率を向上するとともに熱エネルギの回収率を向上することができる。

【0009】

（２）上記形態の炭化水素製造装置において、長さＬｃに対する距離Ｚｍの割合は、０．３２以下であってもよい。この構成によれば、触媒温度検出部は、触媒のうちの長さＬｃに対する距離Ｚｍの割合が０．０６以上０．３２以下の範囲内の触媒の温度を検出する。触媒におけるこの範囲内の温度は、熱媒体の流量または温度の変化に対して単調に変化するため、この範囲内での触媒の温度を検出することで、熱媒体による触媒の温度制御をさらに高精度に行うことができる。これにより、原料ガスの炭化水素化合物への転化率をさらに向上するとともに熱エネルギの回収率をさらに向上することができる。

【0010】

（３）上記形態の炭化水素製造装置は、さらに、前記制御部と電気的に接続され、前記反応器に供給される前記原料ガスの流量を検出するガス流量検出部を備え、前記制御部は、前記ガス流量検出部が検出する前記原料ガスの流量と、前記原料ガスの流量に対応する制御用変数が示されたマップを用いて前記触媒の目標温度を算出し、前記触媒温度検出部によって検出された前記触媒の温度と前記目標温度との差分を用いて、前記熱媒体の流量または温度の少なくとも一方を制御してもよい。この構成によれば、制御部は、熱媒体の流量または温度の少なくとも一方を制御するときに触媒の温度との差分を算出するための触媒の目標温度を、ガス流量検出部が検出する原料ガスの流量と、原料ガスの流量に対応する制御用変数が示されたマップを用いて算出する。これにより、原料ガスの流量が変化することで、触媒温度検出部が検出する温度が変化した場合でも、この変化に対応して目標温度を算出することができる。したがって、原料ガスの炭化水素化合物への転化率をさらに向上することができる。

【0011】

（４）上記形態の炭化水素製造装置は、さらに、前記制御部と電気的に接続され、前記反応器に供給される前の前記原料ガスの温度を検出するガス温度検出部を備え、前記制御部は、前記ガス温度検出部が検出する前記原料ガスの温度と、前記原料ガスの温度に対応する制御用変数が示されたマップを用いて前記触媒の目標温度を算出し、前記触媒温度検出部によって検出された前記触媒の温度と前記目標温度との差分を用いて、前記熱媒体の流量または温度の少なくとも一方を制御してもよい。この構成によれば、制御部は、熱媒体の流量または温度の少なくとも一方を制御するときに触媒の温度との差分を算出するための触媒の目標温度を、ガス温度検出部が検出する原料ガスの温度と、原料ガスの温度に対応する制御用変数が示されたマップを用いて算出する。これにより、原料ガスの温度が変化することで、触媒温度検出部が検出する温度が変化した場合でも、この変化に対応して目標温度を算出することができる。したがって、原料ガスの炭化水素化合物への転化率をさらに向上することができる。

【0012】

（５）上記形態の炭化水素製造装置は、さらに、前記制御部と電気的に接続され、前記反応器の内部圧力を検出する圧力検出部を備え、前記制御部は、前記圧力検出部が検出する前記反応器の内部圧力と、前記反応器の内部圧力に対応する制御用変数が示されたマップを用いて前記触媒の目標温度を算出し、前記触媒温度検出部によって検出された前記触媒の温度と前記目標温度との差分を用いて、前記熱媒体の流量または温度の少なくとも一方を制御してもよい。この構成によれば、制御部は、熱媒体の流量または温度の少なくとも一方を制御するときに触媒の温度との差分を算出するための触媒の目標温度を、圧力検出部が検出する反応器の内部圧力と、反応器の内部圧力に対応する制御用変数が示されたマップを用いて算出する。これにより、反応器の内部圧力が変化することで、触媒温度検出部が検出する温度が変化した場合でも、この変化に対応して目標温度を算出することができる。したがって、原料ガスの炭化水素化合物への転化率をさらに向上することができる。

【0013】

（６）本発明の別の形態によれば、炭化水素化合物を生成する炭化水素化合物の製造方法が提供される。この炭化水素化合物の製造方法は、反応器において、供給源から供給される原料ガスを用いて炭化水素化合物を生成する炭化水素製造工程と、触媒温度検出部によって前記反応器の収容部に収容されている触媒の温度を検出する触媒温度検出工程と、前記触媒温度検出工程において検出される前記触媒の温度を用いて前記触媒との熱交換に用いられる熱媒体の流量または温度の少なくとも一方を制御する制御工程と、備え、前記触媒において、前記収容部の内側に前記原料ガスを供給するためのガス入口側の端面から、前記収容部の内側で生成された前記炭化水素化合物を含む生成ガスを取り出すためのガス出口側の端面までの長さを長さＬｃとし、前記触媒の前記ガス入口側の端面から前記触媒温度検出部までの距離を距離Ｚｍとすると、前記触媒温度検出工程において、前記触媒温度検出部は、前記触媒のうちの長さＬｃに対する距離Ｚｍの割合が０．０６以上０．６５より小さい範囲内の温度を検出する。この構成によれば、触媒温度検出部は、触媒において、触媒の入口側端面から、触媒のうちの長さＬｃに対する距離Ｚｍの割合が０．０６以上０．６５より小さい範囲内の温度を検出する。制御工程では、触媒温度検出部によって検出される触媒の温度を用いて、熱媒体の流量または温度の少なくとも一方を制御する。これにより、熱媒体による触媒の温度の制御を高精度に行うことができるため、原料ガスの炭化水素化合物への転化率を向上することができる。また、触媒温度検出部が上述した範囲内の温度を検出することで、触媒の温度分布に関する情報を取得するために触媒温度検出部を触媒全体に配置する場合に比べ、反応器に配置される触媒温度検出部の数を少なくすることができる。これにより、反応器の製造コストを低減することができる。また、反応器に配置される触媒温度検出部の数を少なくすることができるため、触媒全体に触媒温度検出部を配置する場合に比べ、反応器の表面積が小さくなり、放熱による熱エネルギの損失が小さくなる。これにより、熱エネルギの回収率を向上することができる。このように、上述した構成によれば、製造コストを低減しつつ、原料ガスの炭化水素化合物への転化率を向上するとともに熱エネルギの回収率を向上することができる。

【0014】

なお、本発明は、種々の態様で実現することが可能であり、例えば、炭化水素製造装置を備えるシステム、炭化水素化合物の製造方法をコンピュータに実行させるコンピュータプログラム、炭化水素製造装置の製造方法、炭化水素化触媒システム、炭化水素化合物を燃料とする燃料製造装置などの形態で実現することができる。

【図面の簡単な説明】

【0015】

【図1】第１実施形態の炭化水素製造装置の概略構成を示した説明図である。

【図2】熱電対による触媒の温度を検出する触媒の軸方向位置を説明する図である。

【図3】第１反応器における熱媒体流量の制御処理を示すフローチャートである。

【図4】第２反応器における熱媒体流量の制御処理を示すフローチャートである。

【図5】転化率における熱媒体の流量と熱媒体の温度との関係を示す図である。

【図6】Ｚｍ／Ｌｃが０．０６での触媒温度を示す図である。

【図7】Ｚｍ／Ｌｃが０．１９での触媒温度を示す図である。

【図8】Ｚｍ／Ｌｃが０．３２での触媒温度を示す図である。

【図9】Ｚｍ／Ｌｃが０．６５での触媒温度を示す図である。

【図10】Ｚｍ／Ｌｃが０．９７での触媒温度を示す図である。

【図11】第２実施形態の炭化水素製造装置の概略構成を示した説明図である。

【図12】触媒の軸方向位置と触媒温度との関係を示す第１の図である。

【図13】触媒の軸方向位置と触媒温度との関係を示す第２の図である。

【図14】触媒の軸方向位置と触媒温度との関係を示す第３の図である。

【図15】第１反応器における熱媒体流量の制御処理を示すフローチャートである。

【発明を実施するための形態】

【0016】

＜第１実施形態＞
図１は、第１実施形態のメタン製造装置１の概略構成を示した説明図である。図２は、熱電対による触媒の温度を検出する触媒の軸方向位置を説明する図である。メタン製造装置１は、二酸化炭素（ＣＯ₂）と水素（Ｈ₂）とからメタン（ＣＨ₄）を製造すると同時に、メタン化反応によって発生する熱を熱活用先に供給する装置である。メタン製造装置１は、第１反応器１０と、第２反応器２０と、ＣＯ₂供給源３０と、Ｈ₂供給源４０と、原料混合ガス流路５０と、第１生成ガス流路６０と、第２生成ガス流路７０と、熱媒体流路８０と、制御部９０と、を備えている。第１実施形態では、「炭化水素製造装置」としてのメタン製造装置１は、「炭化水素化合物」としてのＣＨ₄を製造するとしているが、ＣＨ₄以外の炭化水素化合物を製造する炭化水素製造装置にも適用可能である。例えば、エタンやプロパンなどの炭素と水素とから構成される炭化水素化合物やメタノールなどの主に炭素と水素とから構成される炭化水素化合物を製造する炭化水素製造装置にも適用可能である。

【0017】

第１反応器１０は、内部においてメタン化反応によりＣＨ₄を生成するための略筒形状の容器であり、二重管によって構成されている。第１反応器１０は、第１触媒１１を収容する収容部１０Ａと、ガス入口１２と、ガス出口１３とを備える。収容部１０Ａでは、ＣＯ₂とＨ₂とを含む原料混合ガスからＣＨ₄を生成する。第１触媒１１は、メタン化触媒性能を有する金属を含んでいる。メタン化触媒性能を有する金属としては、例えば、ＲｕやＮｉを例示することができる。第１触媒１１には、第１触媒１１の温度を検出可能な熱電対１４が１個配置されている。ガス入口１２は、原料混合ガス流路５０が接続されており、収容部１０Ａの内側に原料混合ガスを供給する。ガス出口１３は、第１生成ガス流路６０が接続されており、収容部１０Ａの内側で生成されたＣＨ₄や未反応のＣＯ₂などを含む第１生成ガスを取り出す。第１反応器１０において、原料混合ガスは、特許請求の範囲の「原料ガス」に相当し、第１生成ガスは、特許請求の範囲の「生成ガス」に相当する。

【0018】

ここで、図２（ａ）を用いて、第１反応器１０の熱電対１４による第１触媒１１の温度の検出位置を説明する。第１触媒１１において、第１反応器１０のガス入口１２側の端面である入口側端面１１ａから、第１反応器１０のガス出口１３側の端面である出口側端面１１ｂまでの長さを長さＬｃ１とする。また、第１触媒１１の入口側端面１１ａから、熱電対１４が第１触媒１１の温度を検出する温度検出部Ｐ１までの距離を距離Ｚｍ１とする。この場合、熱電対１４の温度検出部Ｐ１は、式（１）を満たす、第１触媒１１の軸方向位置に配置される。
０．０６≦Ｚｍ１／Ｌｃ１≦０．３２ ・・・（１）
本実施形態では、熱電対１４の温度検出部Ｐ１は、（Ｚｍ１／Ｌｃ１）が０．２５となる軸方向位置の第１触媒１１の温度を検出するように配置されている。本実施形態において熱電対１４を式（１）の条件を満たす軸方向位置に配置する理由については、後述する。熱電対１４の温度検出部Ｐ１は、特許請求の範囲の「触媒温度検出部」に相当する。

【0019】

第１反応器１０の外側の管と内側の管との間には、オイルなどの流体の熱媒体（熱流体）が流通する内部流路１５が形成されている。内部流路１５は、熱媒体流路８０の一部であって、熱媒体入口１６から内部流路１５に流入した熱媒体は、第１反応器１０内のメタン化反応によって加熱された後、熱媒体出口１７から排出される。熱媒体入口１６は、第１反応器１０での原料混合ガスの流通方向において相対的に下流側に設けられており、熱媒体出口１７は、第１反応器１０での原料混合ガスの流通方向において相対的に上流側に設けられている。これにより、熱媒体は、第１触媒１１の下流側から上流側に向かって流通するため、より高温となる第１触媒１１の上流側の熱を第２反応器２０に供給することができる。

【0020】

第２反応器２０は、第１反応器１０と同形状、同容量の容器であり、第２触媒２１を収容する収容部２０Ａと、ガス入口２２と、ガス出口２３とを備える。収容部２０Ａでは、第１生成ガスに含まれる未反応のＣＯ₂などからＣＨ₄を生成する。第２触媒２１は、メタン化触媒性能を有する金属を含んでいる。メタン化触媒性能を有する金属としては、例えば、ＲｕやＮｉを例示することができる。第２触媒２１には、第２触媒２１の温度を検出可能な熱電対２４が１個配置されている。ガス入口２２は、第１生成ガス流路６０が接続されており、収容部２０Ａの内側に第１生成ガスを供給する。ガス出口２３は、第２生成ガス流路７０が接続されている。第２反応器２０で生成された生成物（ＣＨ₄とＨ₂Ｏ）を含む第２生成ガスは、第２生成ガス流路７０を経由して、外部の図示しないメタン利用施設、例えば、ＣＨ₄を貯蔵するタンクや、メタンガス燃焼炉などに供給される。第２反応器２０において、第１生成ガスは、特許請求の範囲の「原料ガス」に相当し、第２生成ガスは、特許請求の範囲の「生成ガス」に相当する。熱電対２４は、特許請求の範囲の「触媒温度検出部」に相当する。

【0021】

ここで、図２（ｂ）を用いて、第２反応器２０の熱電対２４による第２触媒２１の温度の検出位置を説明する。第２触媒２１において、第２反応器２０のガス入口２２側の端面である入口側端面２１ａから、第２反応器２０のガス出口２３側の端面である出口側端面２１ｂまでの長さを長さＬｃ２とする。また、第２触媒２１の入口側端面２１ａから、熱電対２４が第２触媒２１の温度を検出する温度検出部Ｐ２までの距離を距離Ｚｍ２とする。この場合、熱電対２４の温度検出部Ｐ２は、式（２）を満たす第２触媒２１の軸方向位置に配置される。
０．０６≦Ｚｍ２／Ｌｃ２≦０．３２ ・・・（２）
本実施形態では、熱電対２４の温度検出部Ｐ２は、（Ｚｍ２／Ｌｃ２）が０．２５となる軸方向位置の第２触媒２１の温度を検出するように配置されている。本実施形態において熱電対２４を式（２）の条件を満たす軸方向位置に配置する理由については、後述する。熱電対２４の温度検出部Ｐ２は、特許請求の範囲の「触媒温度検出部」に相当する。

【0022】

第２反応器２０の外側の管と内側の管との間には、熱媒体が流通する内部流路２５が形成されている。内部流路２５は、熱媒体流路８０の一部であって、熱媒体入口２６から内部流路２５に流入した熱媒体は、第２反応器２０に供給される第１生成ガスや第２触媒２１を加熱した後、熱媒体出口２７から排出される。本実施形態では、熱媒体入口２６は、第２反応器２０での第１生成ガスの流通方向において相対的に下流側に設けられており、熱媒体出口２７は、第２反応器２０での第１生成ガスの流通方向において相対的に上流側に設けられている。これにより、熱媒体は、第２触媒２１の下流側から上流側に向かって流通するため、メタン化反応が生じにくく相対的に温度が低い第２触媒２１の下流側をより昇温させることができる。

【0023】

ＣＯ₂供給源３０は、ＣＯ₂を含むガスを供給可能な供給源であり、例えば、燃焼炉と、ＣＯ₂分離器とを含んで構成される。ＣＯ₂分離器は、燃焼炉の排ガスからＣＯ₂を分離して回収するための装置であり、内部にＣＯ₂吸蔵（吸着）性能を有する吸着材が収容されている。ＣＯ₂供給源３０から供給される原料混合ガスは、原料混合ガス流路５０を経由して第１反応器１０に供給される。

【0024】

Ｈ₂供給源４０は、例えば、水電解装置や水素タンクによって構成される。Ｈ₂供給源４０から供給されるＨ₂は、水素供給流路４１から原料混合ガス流路５０を経由して第１反応器１０に供給される。水素供給流路４１には、マスフローコントローラ（ＭＦＣ）４２が設けられており、原料混合ガス流路５０から第１反応器１０に供給されるＨ₂の量が調整される。ＭＦＣ４２は、制御部９０によって制御される。

【0025】

原料混合ガス流路５０は、ＣＯ₂供給源３０から供給されたＣＯ₂と、ＭＦＣ４２を介してＨ₂供給源４０から供給されたＨ₂と、を含む原料混合ガスを第１反応器１０に供給するためのガス流路であり、複数のガス配管を含んで構成されている。原料混合ガス流路５０には、ＣＯ₂供給源３０から供給されるＣＯ₂を含むガスの流量を測定するマスフローコントローラ（ＭＦＣ）５１が設けられている。ＭＦＣ５１の下流側には、水素供給流路４１が接続されており、ＭＦＣ４２からＨ₂が供給される。ＭＦＣ５１を通過したＣＯ₂を含むガスは、ＭＦＣ４２からのＨ₂が付加された後、原料混合ガスとして第１反応器１０に供給される。

【0026】

第１生成ガス流路６０は、第１反応器１０から送り出された第１生成ガスを第２反応器２０に供給するためのガス流路であり、複数のガス配管によって構成されている。第１生成ガス流路６０には、冷却部６１が設けられている。冷却部６１は、第１反応器１０で生成された生成物（ＣＨ₄とＨ₂Ｏ）を含む第１生成ガスからＨ₂Ｏを分離する脱水装置である。冷却部６１は、第１反応器１０から送り出された第１生成ガス（１００℃～２００℃）を常温（例えば、２０℃±１５℃）まで低下させてＨ₂Ｏを分離する。Ｈ₂Ｏが分離された常温の第１生成ガスは、第２反応器２０に供給される。

【0027】

第２生成ガス流路７０は、第２反応器２０から送り出された第２生成ガスを外部のメタン利用装置に供給するためのガス流路であり、複数のガス配管によって構成されている。第２生成ガス流路７０には、冷却部７１が設けられている。冷却部７１は、第２反応器２０で生成された生成物（ＣＨ₄とＨ₂Ｏ）を含む第２生成ガスからＨ₂Ｏを分離する脱水装置である。冷却部７１は、第２反応器２０から送り出された第２生成ガスを常温（例えば、２０℃±１５℃）まで低下させてＨ₂Ｏを分離する。Ｈ₂Ｏが分離された常温の第２生成ガスは、第２生成ガスを外部のメタン利用装置に供給される。

【0028】

熱媒体流路８０は、熱媒体としてのオイルなどの流体が流通する流路であり、第１反応器１０と第２反応器２０とに接続している。熱媒体流路８０は、流入流路８０ａと、中間流路８０ｂと、流出流路８０ｃと、分流流路８０ｄと、を含み、熱媒体を流通可能に形成されている。熱媒体流路８０と、後述するポンプ８１および絞り弁８２は、特許請求の範囲の「熱媒体供給部」に相当する。

【0029】

流入流路８０ａは、熱媒体を圧送可能なポンプ８１と、第１反応器１０の熱媒体入口１６と、に接続し、ポンプ８１が圧送する熱媒体を第１反応器１０の内部流路１５に供給する。第１反応器１０の内部流路１５を流れる熱媒体は、第１反応器１０の第１触媒１１との熱交換に用いられる。ポンプ８１は、図示しないインバータを内蔵しており、制御部９０からの指令を受けてポンプ８１の外部から供給される電力の周波数を変更することによって、ポンプ８１の回転数を変更することが可能である。これにより、ポンプ８１は、内部流路１５を流れる熱媒体の流量を変更することができる。

【0030】

中間流路８０ｂは、第１反応器１０の熱媒体出口１７と、第２反応器２０の熱媒体入口２６とに接続し、第１反応器１０から排出される熱媒体を第２反応器２０の内部流路２５に供給する。第２反応器２０の内部流路２５に供給される熱媒体は、第２反応器２０の第２触媒２１との熱交換に用いられる。

【0031】

流出流路８０ｃは、第２反応器２０の熱媒体出口２７と、分流流路８０ｄとに接続する。流出流路８０ｃは、第２反応器２０の内部流路２５を流れた熱媒体を分流流路８０ｄに送る。流出流路８０ｃには、絞り弁８２が配置されている。絞り弁８２は、制御部９０と電気的に接続しており、制御部９０からの指令を受けて絞りの開度が調節される。これにより、絞り弁８２は、第２反応器２０の内部流路２５を流れる熱媒体の流量を変更することできる。

【0032】

分流流路８０ｄは、中間流路８０ｂに接続し、中間流路８０ｂを流れる熱媒体の一部を熱活用先に供給する。分流流路８０ｄを流れる熱媒体の流量は、流出流路８０ｃに配置されている絞り弁８２の開度によって決定される。具体的には、分流流路８０ｄを流れる熱媒体の流量は、第１反応器１０の内部流路１５を流れた熱媒体の流量から、絞り弁８２の開度によって調節される内部流路２５を流れた熱媒体の流量を差し引いた流量となる。分流流路８０ｄを流れる熱媒体は、流出流路８０ｃを流れる熱媒体と合流し、メタン製造装置１の外部の図示しない熱活用先に供給される。

【0033】

制御部９０は、ＲＯＭ、ＲＡＭ、および、ＣＰＵを含んで構成されるコンピュータであり、メタン製造装置１の全体の制御をおこなう。制御部９０は、ＭＦＣ４２、５１、ポンプ８１、絞り弁８２のほか、図示しないセンサ（温度センサ、流量センサ、濃度センサなど）、温度調整部などと電気的に接続され、これらの制御をおこなう。

【0034】

次に、本実施形態における熱媒体流量の制御処理について説明する。本実施形態のメタン製造装置１では、第１反応器１０と第２反応器２０とのそれぞれにおいて独立して熱媒体流量の制御を行う。

【0035】

図３は、第１反応器１０における熱媒体流量の制御処理を示すフローチャートである。第１反応器１０に供給される熱媒体の流量制御では、最初に、ポンプ８１の周波数の初期値を設定する（ステップＳ１１）。制御部９０は、ポンプ８１の駆動開始にあたって、ポンプ８１の周波数の初期値ｆ_oil_₀を設定する。ポンプ８１は、制御部９０によって設定された周波数の初期値ｆ_oil_₀が入力されると、周波数ｆ_oil_₀に応じた回転数で回転し、第１反応器１０の内部流路１５に熱媒体を供給する。

【0036】

次に、第１触媒１１の温度を検出する（ステップＳ１２）。熱電対１４は、温度検出部Ｐ１（図２（ａ）参照）での第１触媒１１の温度を検出する。熱電対１４は、時刻ｔにおいて検出した温度（以下、「検出温度」という）Ｔ₁（ｔ）を制御部９０に出力する。

【0037】

次に、第１触媒１１の目標温度と検出温度との差分を算出する（ステップＳ１３）。制御部９０は、事前に入力されている第１触媒１１の目標温度Ｔ₁__targetと、ステップＳ１２において熱電対１４から入力される検出温度Ｔ₁（ｔ）との差分を算出する。なお、第１触媒１１の目標温度Ｔ₁__targetとは、第１反応器１０において、ＣＯ₂のＣＨ₄への転化率が比較的高く、かつ、熱エネルギの回収率が比較的高いときの第１触媒１１のうちの温度検出部Ｐ１が位置する箇所の温度である。

【0038】

次に、第１触媒１１の目標温度と検出温度との差分を用いて、ポンプ８１の新たな周波数を算出する（ステップＳ１４）。制御部９０は、ステップＳ１３で算出した、目標温度Ｔ₁__targetと検出温度Ｔ₁（ｔ）との差分を用いて、式（３）によって、ポンプ８１の周波数ｆ_oil（ｔ）を算出する。
ｆ_oil（ｔ）＝Ａ×｛Ｔ₁__target－Ｔ₁（ｔ）｝＋ｆ_oil（ｔ－δｔ）・・・（３）
式（３）において、Ａは、制御部９０に事前に入力されている制御定数であって、ｆ_oil（ｔ－δｔ）は、時刻（ｔ－δｔ）のときのポンプ８１の周波数である。図３に示す制御処理を開始した後の最初のステップＳ１４のときには、ｆ_oil（ｔ－δｔ）は、周波数の初期値ｆ_oil_₀となる。制御部９０は、算出したポンプ８１の新たな周波数ｆ_oil（ｔ）をポンプ８１に出力する。ポンプ８１が入力される新たな周波数ｆ_oil（ｔ）で回転することで、内部流路１５を流れる熱媒体の流量が変更される。

【0039】

ステップＳ１４の後、時刻ｔから時間δｔが経過したのち、ステップＳ１２に戻り、ステップＳ１２からステップＳ１４を繰り返す。メタン製造装置１では、熱電対１４によって検出された第１触媒１１の温度を用いて、内部流路１５を流れる熱媒体の流量を調節する。

【0040】

図４は、第２反応器２０における熱媒体流量の制御処理を示すフローチャートである。第２反応器２０に供給される熱媒体の流量制御では、最初に、絞り弁８２の開度の初期値を設定する（ステップＳ２１）。制御部９０は、ポンプ８１の駆動が開始され、熱媒体流路８０に熱媒体が流れ始めると、絞り弁８２の開度の初期値Ｎ_oil_₀を設定する。絞り弁８２の開度が制御部９０によって設定された開度の初期値Ｎ_oil_₀に設定されると、開度Ｎ_oil_₀に応じた流量の熱媒体が、第２反応器２０の内部流路２５を流れる。

【0041】

次に、第２触媒２１の温度を検出する（ステップＳ２２）。熱電対２４は、温度検出部Ｐ２（図２（ｂ）参照）での第２触媒２１の温度を検出する。熱電対２４は、時刻ｔにおける検出温度Ｔ₂（ｔ）を制御部９０に出力する。

【0042】

次に、第２触媒２１の目標温度と検出温度との差分を算出する（ステップＳ２３）。制御部９０は、事前に入力されている第２触媒２１の目標温度Ｔ₂__targetと、ステップＳ２２において熱電対２４から入力される検出温度Ｔ₂（ｔ）との差分を算出する。なお、第２触媒２１の目標温度Ｔ₂__targetとは、第２反応器２０において、ＣＯ₂のＣＨ₄への転化率が比較的高く、かつ、熱エネルギの回収率が比較的高いときの第２触媒２１のうちの温度検出部Ｐ２が位置する箇所の温度である。

【0043】

次に、第２触媒２１の目標温度と検出温度との差分を用いて、絞り弁８２の新たな開度を算出する（ステップＳ２４）。制御部９０は、ステップＳ２３で算出した、目標温度Ｔ₂__targetと検出温度Ｔ₂（ｔ）との差分を用いて、式（４）によって、絞り弁８２の開度Ｎ_oil（ｔ）を算出する。
Ｎ_oil（ｔ）＝Ｂ×｛Ｔ₂__target－Ｔ₂（ｔ）｝＋Ｎ_oil（ｔ－δｔ）・・・（４）
式（４）において、Ｂは、制御部９０に事前に入力されている制御定数である。Ｎ_oil（ｔ－δｔ）は、時刻（ｔ－δｔ）のときの絞り弁８２の開度である。図４に示す制御処理を開始した後の最初のステップＳ２４のときには、Ｎ_oil（ｔ－δｔ）は、開度の初期値Ｎ_oil_₀となる。制御部９０は、算出した絞り弁８２の新たな開度Ｎ_oil（ｔ）を絞り弁８２に出力する。絞り弁８２が入力される新たな開度Ｎ_oil（ｔ）となることで、内部流路２５を流れる熱媒体の流量が変更される。

【0044】

ステップＳ２４の後、時刻ｔから時間δｔが経過したのち、ステップＳ２２に戻り、ステップＳ２２からステップＳ２４を繰り返す。メタン製造装置１では、熱電対２４によって検出された第２触媒２１の温度を用いて、内部流路２５を流れる熱媒体の流量を調節する。

【0045】

次に、本実施形態において、熱電対１４が式（１）を満たす軸方向位置に配置される理由、および、熱電対２４が式（２）を満たす軸方向位置に配置される理由について説明する。本実施形態では、図２で説明したように、上述した式（１）、（２）のそれぞれを満たすように配置されている熱電対１４、２４が検出する触媒の温度を用いて、第１反応器１０と第２反応器２０とのそれぞれの反応器に供給される熱媒体の流量を決定している。

【0046】

図５は、ＣＯ₂のＣＨ₄への転化率における熱媒体の流量と温度との関係を示す図である。図５では、横軸に、反応器に供給される熱媒体の流量Ｑ_oil（ｃｃ／ｍｉｎ）を示し、縦軸に、反応器に供給される熱媒体の温度Ｔ_oil__in（℃）を示す。図５では、反応器に供給される熱媒体の流量Ｑ_oilと熱媒体の温度Ｔ_oil__inに対して、実験で得られたＣＯ₂のＣＨ₄への転化率を等高線で示している。例えば、熱媒体の流量Ｑ_oilが２５０ｃｃ／ｍｉｎであって、熱媒体の温度Ｔ_oil__inが７０℃である場合、転化率は、８２．５～８３％であることを示している（図５のポイントＰ５）。図５の点線矢印Ａ５で示すように、ＣＯ₂のＣＨ₄への転化率は、熱媒体の流量または温度を変化させると、その変化に対して比較的単調に変化することが確認された。なお、図５に示す「□」は、転化率が計測された計測点を示し、「×」は、転化率を計測できなかった失活点を示す。

【0047】

図６は、Ｚｍ／Ｌｃが０．０６での触媒温度を示す図である。図７は、Ｚｍ／Ｌｃが０．１９での触媒温度を示す図である。図８は、Ｚｍ／Ｌｃが０．３２での触媒温度を示す図である。図９は、Ｚｍ／Ｌｃが０．６５での触媒温度を示す図である。図１０は、Ｚｍ／Ｌｃが０．９７での触媒温度を示す図である。図６から図１０のそれぞれは、熱媒体の流量Ｑと熱媒体の温度Ｔに対して、実験で得られたＣＯ₂のＣＨ₄への転化率を示している。なお、図６から図１０の等温線に示す数字のそれぞれは、触媒の温度を示している。

【0048】

Ｚｍ／Ｌｃが０．０６の図６と、Ｚｍ／Ｌｃが０．１９の図７と、Ｚｍ／Ｌｃが０．３２での図８では、いずれも、熱媒体の流量Ｑ_oilまたは熱媒体の温度Ｔ_oil__inの変化と、触媒の温度の変化との間に単調な相関関係があることが確認された（図６の実線矢印Ａ６、図７の実線矢印Ａ７、図８の実線矢印Ａ８）。ここで、単調な相関関係とは、図６から図８に示すように、熱媒体の流量Ｑ_oilを増加または温度Ｔ_oil__inを上昇させると触媒の温度は上昇し、熱媒体の流量Ｑ_oilを減少または温度Ｔ_oil__inを低下させると触媒の温度も低下することを指す。具体的には、例えば、図６に示すように、熱媒体の流量Ｑ_oilを増加させると触媒の温度は一様に低下し増加することはない（図６の点線矢印６ａ）。また、図６に示すように、熱媒体の温度Ｔ_oil__inを増加させると触媒の温度も一様に上昇し、低下することはない（図６の点線矢印６ｂ）。

【0049】

一方、Ｚｍ／Ｌｃが０．６５の図９と、Ｚｍ／Ｌｃが０．９７の図１０では、熱媒体の流量Ｑ_oilまたは熱媒体の温度Ｔ_oil__inの変化と、触媒の温度の変化との間には、図６から図８とは異なる関係があることが確認された。具体的には、等温線が図９に示す領域Ａ９のような形状になると、熱媒体の流量Ｑ_oilを増加させると触媒の温度が低下せずに上昇する場合がある（図９の点線矢印９ａ）。また、等温線が図１０に示す領域Ａ１０のような形状になると、熱媒体の流量Ｑ_oilを増加させると触媒の温度が低下せずに上昇する場合がある（図１０の点線矢印１０ａ）。また、熱媒体の温度Ｔ_oil__inを増加させると触媒の温度が上昇せずに低下したりする場合がある（図１０の点線矢印１０ｂ）。

【0050】

このように、熱媒体の流量Ｑ_oilおよび温度Ｔ_oil__inと転化率との関係を示す図である図５と、図６から図１０に示す熱媒体の流量Ｑ_oilと温度Ｔ_oil__inと触媒の温度との関係とを組み合わせると、Ｚｍ／Ｌｃが０．０６以上０．６５より小さい場合、１つの熱電対によって検出される触媒の温度を用いて、転化率を制御することができる。なお、Ｚｍ／Ｌｃが０．０６以上０．３２以下の場合では、さらに高精度に転化率を制御することができる。本実施形態では、これらの実験結果を踏まえて、熱電対１４の温度検出部Ｐ１を式（１）の関係を満たす第１触媒１１の軸方向位置に配置し、熱電対２４の温度検出部Ｐ２を式（２）の関係を満たす第２触媒２１の軸方向位置に配置している。

【0051】

以上説明した、第１実施形態のメタン製造装置１によれば、熱電対１４は、第１触媒１１のうちの長さＬｃ１に対する距離Ｚｍ１の割合が０．０６以上０．６５より小さい範囲内の第１触媒１１の温度を検出する。制御部９０は、熱電対１４によって検出される第１触媒１１の温度を用いて、第１反応器１０に供給される熱媒体の流量を制御する。また、熱電対２４は、第２触媒２１のうちの長さＬｃ２に対する距離Ｚｍ２の割合が０．０６以上０．６５より小さい範囲内の第２触媒２１の温度を検出する。制御部９０は、熱電対２４によって検出される第２触媒２１の温度を用いて、第２反応器２０に供給される熱媒体の流量を制御する。これにより、熱媒体による第１触媒１１および第２触媒２１の温度の制御を高精度に行うことができるため、ＣＯ₂のＣＨ₄への転化率を向上することができる。また、熱電対１４、２４が上述した範囲内の温度を検出することで、触媒の温度分布に関する情報を取得するために触媒温度検出部を触媒全体に配置する場合に比べ、反応器１０、２０に配置される熱電対の数を少なくすることができる。これにより、メタン製造装置１の製造コストを低減することができる。また、反応器１０、２０に配置される熱電対の数を少なくすることができるため、触媒全体に触媒温度検出部を配置する場合に比べ、反応器１０、２０の表面積が小さくなり、放熱による熱エネルギの損失が小さくなる。これにより、熱エネルギの回収率を向上することができる。このように、上述した構成によれば、メタン製造装置１の製造コストを低減しつつ、ＣＯ₂のＣＨ₄への転化率を向上するとともに熱エネルギの回収率を向上することができる。

【0052】

また、第１実施形態のメタン製造装置１によれば、熱電対１４は、温度検出部Ｐ１が第１触媒１１のうちの長さＬｃ１に対する距離Ｚｍ１の割合が０．０６以上０．３２以下の範囲内に配置されており、この位置での第１触媒１１の温度を検出する。また、熱電対２４は、温度検出部Ｐ２が第２触媒２１のうちの長さＬｃ２に対する距離Ｚｍ２の割合が０．０６以上０．３２以下の範囲内に配置されており、この位置での第２触媒２１の温度を検出する。第１触媒１１および第２触媒２１におけるこの範囲内での温度は、熱媒体の流量の変化に対して単調に変化するため、この範囲内での第１触媒１１および第２触媒２１の温度を検出することで、熱媒体による第１触媒１１および第２触媒２１の温度制御をさらに高精度に行うことができる。これにより、ＣＯ₂のＣＨ₄への転化率をさらに向上するとともに熱エネルギの回収率をさらに向上することができる。

【0053】

また、第１実施形態のメタン製造方法によれば、例えば、第１反応器１０では、熱電対１４は、第１触媒１１において、長さＬｃ１に対する距離Ｚｍ１の割合が０．０６以上０．６５より小さい範囲内の温度を検出する。制御部９０は、熱電対１４によって検出される第１触媒１１の温度を用いて、熱媒体の流量を制御する。これにより、熱媒体による触媒の温度の制御を高精度に行うことができるため、ＣＯ₂のＣＨ₄への転化率を向上することができる。また、熱電対１４、２４が上述した範囲内の温度を検出することで、触媒の温度分布に関する情報を取得するために触媒温度検出部を触媒全体に配置する場合に比べ、第１反応器１０や第２反応器２０に配置される熱電対の数を少なくすることができる。これにより、第１反応器１０や第２反応器２０の製造コストを低減することができる。また、第１反応器１０や第２反応器２０に配置される熱電対の数を少なくすることができるため、触媒全体に触媒温度検出部を配置する場合に比べ、第１反応器１０や第２反応器２０の表面積が小さくなり、放熱による熱エネルギの損失が小さくなる。これにより、熱エネルギの回収率を向上することができる。このように、上述した構成によれば、製造コストを低減しつつ、ＣＯ₂のＣＨ₄への転化率を向上するとともに熱エネルギの回収率を向上することができる。

【0054】

＜第２実施形態＞
図１１は、第２実施形態におけるメタン製造装置２の概略構成を示した説明図である。第２実施形態のメタン製造装置２は、第１実施形態のメタン製造装置１（図１）と比較すると、ガス流量検出部と、ガス温度検出部と、圧力検出部を備える点が異なる。

【0055】

本実施形態のメタン製造装置２は、第１実施形態のメタン製造装置１が備える第１反応器１０や第２反応器２０などに加えて、原料混合ガス流量検出部５２と、原料混合ガス温度検出部５３と、第１生成ガス流量検出部６２と、第１生成ガス温度検出部６３と、第１圧力検出部１８と、第２圧力検出部２８とを備える。

【0056】

原料混合ガス流量検出部５２と原料混合ガス温度検出部５３は、原料混合ガス流路５０において、原料混合ガス流路５０と水素供給流路４１とが接続される個所（図１１の符号Ｃ５０）と第１反応器１０との間に設けられている。原料混合ガス流量検出部５２は、原料混合ガス流路５０を流れるＣＯ₂とＨ₂を含む原料混合ガスの流量を検出し、検出した流量を制御部９０に出力する。原料混合ガス温度検出部５３は、原料混合ガス流路５０を流れるＣＯ₂とＨ₂を含む原料混合ガスの温度を検出し、検出した温度を制御部９０に出力する。

【0057】

第１生成ガス流量検出部６２と第１生成ガス温度検出部６３は、第１生成ガス流路６０において、冷却部６１と第２反応器２０との間に設けられている。第１生成ガス流量検出部６２は、冷却部６１を通過した後、第１生成ガス流路６０を流れる第１生成ガスの流量を検出し、検出した流量を制御部９０に出力する。第１生成ガス温度検出部６３は、第１生成ガス流路６０を流れる第１生成ガスの温度を検出し、検出した温度を制御部９０に出力する。

【0058】

第１圧力検出部１８は、第１反応器１０に設けられている。第１圧力検出部１８は、第１反応器１０の内部圧力を検出し、検出した内部圧力を制御部９０に出力する。

【0059】

第２圧力検出部２８は、第２反応器２０に設けられている。第２圧力検出部２８は、第２反応器２０の内部圧力を検出し、検出した内部圧力を制御部９０に出力する。

【0060】

本実施形態における熱媒体流量の制御処理では、触媒の目標温度を、反応器に流入するガスの流量、温度、および、反応器の内部圧力の少なくとも１つの数値に応じて変更する。ここでは、反応器に流入するガスの流量、温度、および、反応器の内部圧力と、触媒の温度との関係について説明する。

【0061】

図１２は、触媒の軸方向位置と触媒温度との関係を示す第１の図である。図１２には、反応器に流入するガスの流量が変化するときの触媒の軸方向位置と触媒温度との関係の変化を示している。図１２には、触媒の入口側端面と出口側端面の位置とともに、熱電対の温度検出部が配置される軸方向位置（図１２に示す符号ＴＣ１、ＴＣ２）が示されている。触媒の軸方向位置と触媒温度との関係が図１２に示す実線Ｇ１１である状態から反応器に流入するガスの流量を増加させると、反応熱によって触媒が昇温される領域はガスの下流側にずれるため、触媒の軸方向位置と触媒温度との関係は、点線Ｇ１２に変化する。このとき、軸方向位置ＴＣ１において検出される触媒の温度は、温度Ｔａ１１から温度Ｔａ１２に低下する（図１２に示す点線矢印ａ１２）。この場合、反応器に流入するガスの流量が増加するとき、触媒の温度は低下することがわかる。また、軸方向位置ＴＣ２において検出される触媒の温度は、温度Ｔｂ１１から温度Ｔｂ１２に上昇する（図１２に示す点線矢印ｂ１２）。この場合、反応器に流入するガスの流量が増加するとき、触媒の温度は上昇することがわかる。このように、反応器に流入するガスの流量の変化によって、熱電対で検出される温度は変化する。

【0062】

図１３は、触媒の軸方向位置と触媒温度との関係を示す第２の図である。図１３には、反応器に流入するガスの温度が変化するときの触媒の軸方向位置と触媒温度との関係の変化を示している。図１３には、触媒の入口側端面と出口側端面の位置とともに、熱電対の温度検出部が配置される軸方向位置（図１３に示す符号ＴＣ１、ＴＣ２）が示されている。触媒の軸方向位置と触媒温度との関係が図１３に示す実線Ｇ１３である状態から反応器に流入するガスの温度を上昇させると、反応熱によって触媒が昇温される領域はガスの上流側にずれるため、触媒の軸方向位置と触媒温度との関係は、点線Ｇ１４に変化する。このとき、軸方向位置ＴＣ１において検出される触媒の温度は、温度Ｔａ１３から温度Ｔａ１４に上昇する（図１３に示す点線矢印ａ１３）。この場合、反応器に流入するガスの温度が上昇するとき、触媒の温度は上昇することがわかる。また、軸方向位置ＴＣ２において検出される触媒の温度は、温度Ｔｂ１３から温度Ｔｂ１４に低下する（図１３に示す点線矢印ｂ１３）。この場合、反応器に流入するガスの温度が上昇するとき、触媒の温度は低下することがわかる。このように、反応器に流入するガスの温度の変化によって、熱電対で検出される温度は変化する。

【0063】

図１４は、触媒の軸方向位置と触媒温度との関係を示す第３の図である。図１４には、反応器の内部圧力が変化するときの触媒の軸方向位置と触媒温度との関係の変化を示している。図１４には、図１２および図１３と同様に、触媒の入口側端面と出口側端面の位置とともに、熱電対の温度検出部が配置される軸方向位置（図１４に示す符号ＴＣ１、ＴＣ２）が示されている。触媒の軸方向位置と触媒温度との関係が図１４に示す実線Ｇ１５である状態から反応器の内部圧力が上昇すると、反応熱によって触媒が昇温される領域はガスの上流側にずれるため、触媒の軸方向位置と触媒温度との関係は、点線Ｇ１６に変化する。このとき、軸方向位置ＴＣ１において検出される触媒の温度は、温度Ｔａ１５から温度Ｔａ１６に上昇する（図１４に示す点線矢印ａ１４）。この場合、反応器の内部圧力が上昇するとき、触媒の温度は上昇することがわかる。また、軸方向位置ＴＣ２において検出される触媒の温度は、温度Ｔｂ１５から温度Ｔｂ１６に低下する（図１４に示す点線矢印ｂ１４）。この場合、反応器の内部圧力が上昇するとき、触媒の温度は低下することがわかる。このように、反応器の内部圧力の変化によって、熱電対で検出される温度は変化する。

【0064】

図１５は、本実施形態の第１反応器１０における熱媒体流量の制御処理を示すフローチャートである。本実施形態における熱媒体流量の制御処理では、上述した図１２から図１４を用いて説明した、反応器に流入するガスの流量、温度、および、反応器の内部圧力の影響を考慮して、触媒の目標温度を設定する。ここでは、図１５を用いて、第１反応器１０における熱媒体流量の制御処理を説明する。

【0065】

最初に、第１実施形態の第１反応器１０での制熱媒体流量の御処理の場合と同様に、ポンプ８１の周波数の初期値を設定し（ステップＳ３１）、第１触媒１１の温度を検出する（ステップＳ３２）。熱電対１４は、時刻ｔの検出温度Ｔ₁（ｔ）を制御部９０に出力する。

【0066】

次に、第１反応器１０に流入する原料混合ガスの流量、温度、および、第１反応器１０の内部圧力を検出する（ステップＳ３３）。具体的には、原料混合ガス流量検出部５２によって第１反応器１０に流入する原料混合ガスの流量を検出する。また、原料混合ガス温度検出部５３によって原料混合ガスの温度を検出する。さらに、第１圧力検出部１８によって第１反応器１０の内部圧力を検出する。これらの検出された数値は、制御部９０に出力される。

【0067】

次に、第１触媒１１の目標温度を算出する（ステップＳ３４）。制御部９０は、ステップＳ３３において入力された第１反応器１０に流入する原料混合ガスの流量、温度、および、第１反応器１０の内部圧力を用いて、第１触媒１１の目標温度を算出する。第１触媒１１の目標温度は、具体的には、式（５）を用いて算出される。
Ｔ₁__target__cal（ｔ）＝Ｃ（ｔ）×Ｑ_gas（ｔ）＋Ｄ（ｔ）×Ｔ_gas__inl（ｔ）＋Ｅ（ｔ）×Ｐ_met（ｔ）＋Ｆ（ｔ）・・・（５）

【0068】

式（５）において、Ｑ_gas（ｔ）は、第１反応器１０に流入する原料混合ガスの流量であって、ＭＦＣ４２によって流量が調節されたＨ₂の流量と、ＭＦＣ５１によって流量が調節されたＣＯ₂の流量との合計の流量である。Ｔ_gas__inl（ｔ）は、第１反応器１０に供給される原料混合ガスの温度である。Ｐ_met（ｔ）は、第１反応器１０の内部圧力である。また、Ｃ（ｔ）、Ｄ（ｔ）、Ｅ（ｔ）、Ｆ（ｔ）は、制御部９０に事前に入力されている複数のマップから取得される制御用変数である。これら複数のマップのそれぞれには、原料混合ガスの流量、温度、および、第１反応器１０の内部圧力のそれぞれの変化に対応する制御用変数が示されており、制御部９０は、原料混合ガスの流量、温度、および、第１反応器１０の内部圧力の変化に応じて、これらのマップから対応する制御用変数を取得する。ステップＳ３４では、制御部９０は、上述した複数のマップと、式（５）を用いて、第１触媒１１の目標温度を算出する。

【0069】

次に、第１実施形態と同様に、第１触媒１１の目標温度と検出温度との差分を算出し（ステップＳ３５）、第１触媒１１の目標温度と検出温度との差分を用いて、ポンプ８１の新たな周波数を算出する（ステップＳ３６）。本実施形態では、このようにして、第１触媒１１の目標温度を、原料混合ガスの流量、温度、および、第１反応器１０の内部圧力を用いて算出し、算出した目標温度Ｔ₁__target__cal（ｔ）を用いて、ポンプ８１の周波数を算出する。

【0070】

ここでは、本実施形態の第２反応器２０における熱媒体流量の制御処理の説明を省略したが、第２反応器２０についても同様の制御処理を行う。具体的には、第２反応器２０に流入する第１生成ガスの流量、温度、および、第２反応器２０の内部圧力を用いて、第２触媒２１の目標温度を算出する。このとき、第１生成ガス流量検出部６２によって第２反応器２０に流入する第１生成ガスの流量を検出する。また、第１生成ガス温度検出部６３によって第１生成ガスの温度を検出する。さらに、第２圧力検出部２８によって第２反応器２０の内部圧力を検出する。これらの検出された数値を用いて、制御部９０において、第２触媒２１の目標温度Ｔ₂__target__calを算出し、絞り弁８２の開度を算出する。

【0071】

以上説明した、第２施形態のメタン製造装置２によれば、熱電対１４、２４では、Ｚｍ／Ｌｃが０．０６以上０．３２以下の範囲内に温度検出部Ｐ１、Ｐ２が配置されている。これにより、熱電対１４、２４のそれぞれが検出した触媒の温度を用いて熱媒体による第１触媒１１および第２触媒２１の温度の制御を高精度に行うことができるため、ＣＯ₂のＣＨ₄への転化率を向上することができる。また、反応器１０、２０に配置される熱電対の数を少なくすることができるため、メタン製造装置１の製造コストを低減することができるとともに、放熱による熱エネルギの損失が小さくなるため、熱エネルギの回収率を向上することができる。

【0072】

また、第２実施形態のメタン製造装置２によれば、制御部９０は、熱媒体の流量を制御するときに第１触媒１１の温度との差分を算出するための第１触媒１１の目標温度を、原料混合ガス流量検出部５２が検出する原料混合ガスの流量を用いて算出する。また、制御部９０は、熱媒体の流量を制御するときに第２触媒２１の温度との差分を算出するための第２触媒２１の目標温度を、第１生成ガス流量検出部６２が検出する第１生成ガスの流量を用いて算出する。これにより、反応器１０、２０に流入するガスの流量が変化することで、熱電対１４、２４が検出する温度がＣＨ₄の生成に適した温度から変化した場合でも、この変化に対応して目標温度Ｔ₁__target__cal、Ｔ₂__target__calを算出することができる。したがって、ＣＯ₂のＣＨ₄への転化率をさらに向上することができる。

【0073】

また、第２実施形態のメタン製造装置２によれば、制御部９０は、熱媒体の流量を制御するときに用いられる第１触媒１１の目標温度を、原料混合ガス温度検出部５３が検出する第１反応器１０に供給される前の原料混合ガスの温度を用いて算出する。また、制御部９０は、第２触媒２１の目標温度を、第１生成ガス温度検出部６３が検出する第１生成ガスの流量を用いて算出する。これにより、反応器１０、２０に流入するガスの温度が変化することで、熱電対１４、２４が検出する温度がＣＨ₄の生成に適した温度から変化した場合でも、この変化に対応して目標温度Ｔ₁__target__cal、Ｔ₂__target__calを算出することができる。したがって、ＣＯ₂のＣＨ₄への転化率をさらに向上することができる。

【0074】

また、第２実施形態のメタン製造装置２によれば、制御部９０は、熱媒体の流量を制御するときに用いられる第１触媒１１の目標温度を、第１圧力検出部１８が検出する第１反応器１０の内部圧力を用いて算出する。また、制御部９０は、熱媒体の流量を制御するときに用いられる第２触媒２１の目標温度を、第２圧力検出部２８が検出する、第２反応器２０の内部圧力を用いて算出する。これにより、反応器１０、２０の内部圧力が変化することで、熱電対１４、２４が検出する温度がＣＨ₄の生成に適した温度から変化した場合でも、この変化に対応して目標温度Ｔ₁__target__cal、Ｔ₂__target__calを算出することができる。したがって、ＣＯ₂のＣＨ₄への転化率をさらに向上することができる。

【0075】

＜本実施形態の変形例＞
本発明は上記の実施形態に限られるものではなく、その要旨を逸脱しない範囲において種々の態様において実施することが可能であり、例えば次のような変形も可能である。

【0076】

［変形例１］
上述の実施形態では、「炭化水素製造装置」としてのメタン製造装置は、「炭化水素化合物」としてのＣＨ₄を製造するとした。しかしながら、炭化水素製造装置が製造する炭化水素化合物は、ＣＨ₄だけでなく、例えば、エタンやプロパンなどの炭素と水素とから構成される化合物や、メタノールなどの主に炭素と水素とから構成される化合物を含んでもよい。

【0077】

［変形例２］
上述の実施形態では、図２に示すように、ガス入口とガス出口とが対向する反応器に収容されている触媒において、互いに略平行にかつ平面状に形成されている入口側端面から出口側端面までの長さを、触媒の長さＬｃとした。ガス入口とガス出口とが対向していない場合や入口側端面と出口側端面とが略平行に形成されていない場合では、例えば、ガス入口の中心とガス出口の中心とを結ぶ方向に沿った触媒の長さを長さＬｃとしてもよい。また、入口側端面と出口側端面とが凹凸が大きく平面状に形成されていない場合、例えば、その凹凸をならした入口側の平均面から出口側の平均面までの長さを長さＬｃとしてもよい。

【0078】

［変形例３］
上述の実施形態では、熱電対１４、２４の温度検出部Ｐ１、Ｐ２は、０．０６≦Ｚｍ／Ｌｃ≦０．３２を満たす触媒の軸方向位置に配置されるとした。しかしながら、温度検出部Ｐ１、Ｐ２が配置される位置は、これに限定されない。０．０６≦Ｚｍ／Ｌｃ＜０．６５であってもよい。

【0079】

［変形例４］
上述の実施形態のメタン製造装置は、二つの反応器１０、２０を備えているものとした。しかしながら、メタン製造装置は、反応器を１つだけ備えていてもよい。

【0080】

［変形例５］
上述の実施形態では、反応器を流れる熱媒体の流量を制御することで、触媒の温度を調節し、ＣＯ₂のＣＨ₄への転化率を向上するとともに熱エネルギの回収率を向上するとした。しかしながら、触媒の温度を調節する方法はこれに限定されない。熱媒体の温度を調節することで、ＣＯ₂のＣＨ₄への転化率の向上と、熱エネルギの回収率の向上を両立してもよい。

【0081】

［変形例６］
上述の実施形態では、１つの反応器に設置される熱電対は、１つであるとした。しかしながら、熱電対は、複数あってもよく、Ｚｍ／Ｌｃが０．０６以上０．６５より小さくなる軸方向位置に配置されていればよい。なお、熱電対を複数設置すると反応器の表面積が増大するため、反応器からの放熱による熱損失が増大し、熱エネルギの回収率が低下するおそれがある。このことから、上述の実施形態で説明したように、熱電対の数は、１つの反応器に１つであることが望ましい。

【0082】

［変形例７］
上述の実施形態では、触媒の温度は、熱電対によって検出されるとした。しかしながら、触媒の温度を検出する方法は、これに限定されない。測温抵抗体や、ダイオード温度センサなどであってもよい。

【0083】

［変形例８］
上述の実施形態では、第１反応器１０に供給される熱媒体の流量をポンプ８１の周波数で制御し、第２反応器２０に供給される熱媒体の流量を絞り弁８２の開度で制御するとした。しかしながら、反応器に供給される熱媒体の流量の制御方法は、これに限定されない。

【0084】

［変形例９］
第２実施形態では、原料混合ガス流量検出部５２と、原料混合ガス温度検出部５３と、第１生成ガス流量検出部６２と、第１生成ガス温度検出部６３と、第１圧力検出部１８と、第２圧力検出部２８とを備えるとした。しかしながら、これらは全てなくてもよい。例えば、第１反応器１０については、原料混合ガス流量検出部５２、原料混合ガス温度検出部５３、および、第１圧力検出部１８の少なくとも１つが備えられていてもよい。少なくとも１つが備えられていれば、触媒の状況変化に対応して目標温度を変化させることができるため、ＣＯ₂のＣＨ₄への転化率をさらに向上することができる。

【0085】

［変形例１０］
第２実施形態では、触媒の目標温度を算出するときに用いられるＣ（ｔ）、Ｄ（ｔ）、Ｅ（ｔ）、Ｆ（ｔ）は、制御部９０に事前に入力されている複数のマップから取得される制御用変数であるとした。しかしながら、Ｃ、Ｄ、Ｅ、Ｆは、事前に制御部９０に入力されている定数であってもよい。

【0086】

以上、実施形態、変形例に基づき本態様について説明してきたが、上記した態様の実施の形態は、本態様の理解を容易にするためのものであり、本態様を限定するものではない。本態様は、その趣旨並びに特許請求の範囲を逸脱することなく、変更、改良され得ると共に、本態様にはその等価物が含まれる。また、その技術的特徴が本明細書中に必須なものとして説明されていなければ、適宜、削除することができる。

【符号の説明】

【0087】

１，２…メタン製造装置
１０…第１反応器
１０Ａ…収容部
１１…第１触媒
１２，２２…ガス入口
１３，２３…ガス出口
１４，２４…熱電対
１５，２５…内部流路
１６，２６…熱媒体入口
１７，２７…熱媒体出口
１８…第１圧力検出部
２０…第２反応器
２０Ａ…収容部
２１…第２触媒
２８…第２圧力検出部
３０…ＣＯ₂供給源
４０…Ｈ₂供給源
４１…水素供給流路
４２…マスフローコントローラ
５０…原料混合ガス流路
５１…流量計
５２…原料混合ガス流量検出部
５３…原料混合ガス温度検出部
６０…第１生成ガス流路
６１，７１…冷却部
６２…第１生成ガス流量検出部
６３…第１生成ガス温度検出部
７０…第２生成ガス流路
８０…熱媒体流路
８０ａ…流入流路
８０ｂ…中間流路
８０ｃ…流出流路
８０ｄ…分流流路
８１…ポンプ
８２…絞り弁
９０…制御部

【図1】

【図2】

【図3】

【図4】

【図5】

【図6】

【図7】

【図8】

【図9】

【図10】

【図11】

【図12】

【図13】

【図14】

【図15】